\chapter{学生实验}

\section{观察磁铁对电流的作用}

这个实验我们先用左手定则来判断磁场对电流的作用力
的方向，然后再用实验验证．

如图10.1所示，将矩形线圈悬挂在支架上，线圈的$AB$边
悬在蹄形磁铁的两极间．按照图10.1把电路连接好．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-1.png}
    \caption{}
    \end{figure}

根据电键闭合后$AB$边中的电流方向和$AB$边所在处的磁
场方向，用左手定则判断出磁场对$AB$边的作用力的方向，合
上电键$K$，观察$AB$边向哪个方向运动，与你判断的是否一
致，注意：只要看出了$AB$边的运动方向就要立即断开电键，
以免电池或线圈烧坏，下面的实验也要这样．

把与电池正、负极连接的两条导线交换一下，改变$AB$边
中的电流方向，用左手定则判断出磁场对$AB$边的作用力的
方向，合上电键$K$，观察$AB$边向哪个方向运动，与你判断的
是否一致．$AB$边的受力方向与上一次比较改变没有？

把磁铁的$N$、$S$极调换一下，改变磁场的方向，先用左手
定则判断出磁场对$AB$边的作用力的方向，然后再做实验，看
一看与你判断的是否一致，$AB$边的受力方向与上一次比较
改变了没有？

同学们自己设计一个表格，在每次实验前，先将$AB$边中
的电流方向以及磁铁的磁场方向填入表中，再根据实验时$AB$
边的运动方向，把磁铁对电流的作用力的方向填入表中．

\section{研究电磁感应现象}

关于感生电流产生的条件，我们已经随同老师一起做过
实验，现在用图2.3所示的装置来研究怎样判断感生电流的
方向，为了加强实验效果，这里用的螺线管$A$带有铁心．

首先查明电流表指针的偏转方向和螺线管中电流方向的
关系，然后把蓄电池（或其他低压电源）、开关和螺线管$A$串联
成一个电路，把电流表和螺线管$B$串联成另一个电路．

接通电源，给螺线管$A$通电，然后把它插入螺线管$B$中，
停留一会儿再取出来．同时注意，当螺线管$A$在插入或取出
时，跟螺线管$B$相连的电流表的偏转方向，并记下$B$中感生电
流的方向．

改变螺线管$A$中的电流方向，重做上面的实验，观察跟螺线
管$B$相连的电流表的偏转方向，并记下$B$中感生电流的方向．

把螺线管$A$放在螺线管$B$中不动，观察在给螺线管$A$通
电和断电的瞬间，跟螺线管$B$相连的电流表的偏转方向，并记
下$B$中感生电流的方向，改变螺线管$A$的通电方向，再观察在
通电和断电的瞬间，跟螺线管$B$相连的电流表的偏转方向，并
记下$B$中感生电流的方向．

分析你的实验并回答下列问题：
\begin{enumerate}
    \item 螺线管$B$内部的磁场增强时，$B$中感生电流的磁场
方向怎样？螺线管$B$内部的磁场减弱时，$B$中感生电流的磁
场方向怎样？
\item 归纳出判断感生电流方向的规律．
\end{enumerate}

\section{用示波器观察交流电的波形}
这个实验是用示波器来观察交流电的波形，我们讲过，
示波器自己能发出正弦交流信号，我们就先观察示波器自己
的正弦交流信号，然后再观察从信号源输入的交流信号．

开机前，先把辉度调节旋钮反时针转到底，衰减旋钮置于
正弦符号“\tikz \draw[x=.7ex,y=1ex] (0,0) sin (1,1) cos (2,0) sin (3,-1) cos (4,0)--(0,0);”档，Y增益旋钮顺时针转到底，扫描范围置于10—100赫兹档，其余各个旋钮置下中间位置．打开电源开关，
经预热后，顺时针旋转辉度调节旋钮，可以看到不稳定的不一
定清晰的波形，调整聚焦调节和辅助聚焦旋钮，使图线清晰．
调整垂直位移和水平位移旋钮，使图象位置适中，调整X增
益旋钮，使图象大小合适．作好这些准备工作后，把同步开关
置于“$+$”位置，把扫描微调旋钮先顺时针转到底再慢慢地反
时针旋转，当转到某一位置时，可以看到一个稳定的完整的正
弦波形（图10.2甲），屏上还同时出现的水平亮线是扫描的回
扫线，把同步开关置于“$-$”位置，又可看到波形改变半个周期
（图10.2乙）．如果扫描频率恰好是信号频率的$1/n$（$n$为整
数），将可看到稳定的$n$个完整波形，继续慢慢地反时针旋转
扫描微调旋钮，减小扫描频率，就可以看到屏上出现稳定的两
个、三个正弦波形．

\begin{figure}[htp]\centering
\begin{minipage}[t]{0.48\textwidth}
\centering
\begin{tikzpicture}[>=latex, scale=.7]
\draw  (0,0) sin (1,1) cos (2,0) sin (3,-1) cos (4,0)--(0,0);
\draw (2,0) circle (2.2);


\end{tikzpicture}
\caption*{甲}
\end{minipage}
\begin{minipage}[t]{0.48\textwidth}
\centering
\begin{circuitikz}[>=latex, scale=.7]
\draw  (0,0) sin (1,-1) cos (2,0) sin (3,1) cos (4,0)--(0,0);
\draw (2,0) circle (2.2);

\end{circuitikz}
\caption*{乙}
\end{minipage}
    \caption{}
    \end{figure}

    \begin{figure}[htp]\centering
        \includegraphics[scale=.6]{fig/10-3.png}
        \caption{J2465型学生信号源
        的面板}
        \end{figure}

现在再来观察从信号源输入的交流信号．我们用的信号
源是J2465型学生信号源，这种信号源可以输出低频、高频正
弦交流信号和高频调幅信号（在第四章将讲到什么是调幅信
号）．J2465型学生信号源的面板如图10.3所示，下面先介
绍它的使用方法．

低频正弦交流信号从右边的两个低频输出接线柱输出．
它们的上边是低频增幅旋钮，顺时针旋转它，低频输出的电压
连续增大．中间的频率选择旋钮用来改变低频输出的频率；
它有五档：500，1000，1500，2000和2500赫．

高频信号从左边的两个高频输出接线柱输出．它们的上
边是高频增幅旋钮，顺时针旋转它，高频输出的电压连续增
大．上边的频率调节旋钮用来连续改变高频输出的频率，当
右边的选择开关在位置“I”时，频率改变范围是500—1700千
赫；在位置“II”时，是400—580千赫．

需要高频正弦交流信号时，左边的选择开关应置于“等
幅”位置．当这个选择开关置于“调幅”位置时，从高频输出接
线柱输出的是高频调幅信号．调幅度的大小用低频增幅旋钮
来调节，调制信号的频率用频率选择旋钮来选择．

让我们观察从信号源输入的低频正弦信号，为此，先用
导线把信号源的两个低频输出接线柱跟示波器的“Y输入”和
“地”两个接线柱连接上；把信号源的低频增幅旋钮转到中间
位置；把示波器的衰减旋钮从正弦符号挡转到最高挡，打开它
们的电源开关，示波器的准备工作跟前面相同，逐步减小衰减
挡并调整Y增益，使图象的竖直幅度适宜．然后根据输入的
信号频率选择适当的扫描范围并调整扫描微调，就可以看到
稳定的整数个完整的波形，再慢慢调整扫描微调，可以看到
波形数发生改变，调整X增益，可以看到波形的水平幅度的
改变．把同步开关从“$+$”位置扳到“$-$”位置，可以看到波形
改变半个周期．旋转信号源的低频增幅旋钮，观察波形的竖
直幅度的改变．在观察过程中，必要时应随时调整辉度调节、
聚焦调节和辅助聚焦，使图象亮度适宜，图线清晰．

利用示波器还可以测出输入的交流信号的电压的最大值
并进而算出它的有效值．测量时应注意把Y增益旋钮顺时针
旋转到底，还应根据衰减乘以相应的倍数．你在实验中，当低
频增幅旋钮转到最大时，信号电压的最大值和有效值各是多
少？

改变输入信号的频率，再次进行各项调整和观察．

如果有多余的时间，还可以继续观察高频正弦信号和高
频调幅信号，各项调整方法跟观察低频正弦信号时基本相
同．

\section{用示波器观察交流电的整流和滤波}

这个实验通过示波器观察波形来了解整流滤波电路的作
用．

图10.4是一个带$\pi$型滤波器的半波整流路．交流电源
的电压，滤波电容器$C_1$、$C_2$的电容，电阻$R$的阻值，都是根据
负载$R_{\text{负}}$的要求选定的．$C_1$、$C_2$越大，滤波效果越好．$R$大些，
滤波效果好些，但电压损失也大些，图中的数据可作参考．
这个电路可提供5—6伏特的直流电．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-4.png}
    \caption{}
    \end{figure}

在一张适当大小的白纸上，画出图中所示的电路，并标出
各个元件的规格．把这张电路图平铺在一块铁板上，选取你
需要的实验元件（图10.5所示的是专为实验用的几种元件）．
将各个元件放在电路图标出的位置上（应注意二极管和电解
电容器的正负极不要接错），用导线将各元件按照电路图连
接起来，为了观察整流前后的波形，$P$点先不要接通．

\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-5.png}

    元件装在透明塑料盒内，盖上画着元件的符号，并有弹簧式的接
线头，盒底有块磁铁，使元件能平稳地安放在实验用的铁板上．
    \caption{实验用的元件}
    \end{figure}

电路检查无误后，即可接上6伏的交流电源，用示波器观
察波形．先把负载$R_{\text{负}}$改接在$A$点和“地”（即$BB'$导线）之间，
把$A$点接示波器的Y输入，$BB'$导线接示波器的“地”，观察整
流前的交流电压波形，再把负载$R_{\text{负}}$改接在$A$点和“地”之
间，把$A'$点接示波器的Y输入，$BB'$导线仍然接示波器的
“地”，观察整流后的电压波形，然后接通$P$点，把负载$R_{\text{负}}$接
在图10.4所示的位置，把$A$点接示波器的Y输入，$BB'$导线
仍然接示波器的“地”，观察滤波后的电压波形，在观察波形
时，在坐标纸上把三种波形记录下来，以便比较．

有兴趣的同学还可以改变电容器$C_1$、$C_2$和电阻$R$的数
值，观察$A''$点对“地”的电压波形的变化，研究它们对滤波效
果的影响．

\section{研究变压器的作用}
这个实验利用变压器模型来研究变压器的作用．

这个变压器模型有三个线圈，线圈I为120匝，线圈II为
240匝，线圈III为60匝．

现在拿线圈I作原线圈，线圈III作
副线圈，把它们套在一起，将硅钢片插入原、副线圈中，这样就
装成了一个降压变压器．

记下原线圈的匝数$n_1$和副线圈的匝数$n_2$．将原线圈的
两端接低压交流电源，副线圈的两端跟小电灯泡相连，用交
流电压表分别测量原、副线圈两端的电压$U_1$和$U_2$，记下测得
的数据，看看它们的电压比
$U_1/U_2$跟匝数比$n_1/n_2$
有什么关系．

用交流电流表分别测出原、副线圈中的电流$I_1$和$I_2$，记
下测得的数据，看看原、副线圈中的电流比$I_1/I_2$
跟它们的匝数比$n_1/n_2$有什么关系．

根据测得的原、副线圈的电压和电流的数值，算出变压器
的输入功率$U_1I_1$和输出功率$U_2I_2$，你这个变压器的效率是
多少？

在输出电路中再并联几个小灯泡．负载增加后，副线圈
中的电流增大了，原线圈中的电流怎样变化？输出功率和输
入功率怎样变化？

拆开变压器，换上线圈II作副线圈，然后再将硅钢片插
入，装成一个升压变压器，按上面的步骤重做一遍实验．

根据你的实验，回答下面的问题：
\begin{enumerate}
    \item 变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数有什么关系？
    \item 变压器原、副线圈中的电流跟它们的匝数有什么关系？
    \item 变压器的输出电流改变时，输入电将怎样改变？输
出功率改变时，输入功率将怎样改变？输出功率和输入功率
是否相等？为什么？
\end{enumerate}

\section{安装简单的收音机}
我们用方框图已经讲过简单晶体管收音机的工作原理．
现在来连接这种收音机的电路，学习它的安装和调试方法．

图10.6是一个两管收音机的线路图，它包括调谐、高频
放大、检波、低频放大四个部分，图中已经用虚线隔开，图中
的$R_1^*$和$R_2^*$叫做偏流电阻．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-6.png}
    \caption{简单收音机的线路图}
    \end{figure}

按照图10.6连接电路，连接的方法跟实验四相同．先在
白纸上画出电路图，然后根据规格选取需要的元件，放在纸上
摆好，再用导线把它们连接起来．偏流电阻$R_1^*$和$R_2^*$的阻值
待定，可以先空着，等调试后再连入．

连接完毕，要按照电路图全面仔细检查一遍，确认无误
后，即可接上电源进行调试．

对本机的调试，就是调整两个三极管的偏流电阻，把毫
安表或万用电表的毫安档接入三极管的集电极电路（图中画
“$\times$”号处），用20千欧的固定电阻和470千欧的电位器串联
起来暂代偏流电阻连入电路，调节电位器，使高频三极管集电
极电流为1毫安左右，低频三极管集电极电流为2毫安左右．
然后取下串联的固定电阻和电位器，用万用电表分别测出它
们的总电阻，用阻值相同的固定电阻连入电路，调试工作就完
成了．

调试好以后，即可调节可变电容器来试听电台的广播，本
机的灵敏度不高，在广播电台较远时可能收听不到．遇到这
种情况，可以用信号源发出高频调幅信号来代替广播电台，这
时从耳机里可以听到嗡嗡的调制信号的音频交流声．

\section{测定玻璃的折射率}

在这个实验里，我们用两面平行的玻璃砖来测定玻璃的
折射率，从例题可知，当光线斜射入两面平行的玻璃板
时，从玻璃板射出的光线传播方向不变，出射光线跟入射光线
相比，只有一定的侧移．只要我们找出跟某一入射光线对应的
出射光线，就能求出在玻璃中对应的折射光线，从而求出折射
角，再根据折射定律，就可以求出玻璃的折射率．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-7.png}
    \caption{}
    \end{figure}

实验的具体做法如下：照图10.7那样，先在一张白纸上
画直线$aa'$作为玻璃砖的一个界面，过$aa'$上的一点$O$画界面
的法线$NN'$，再画直线$AO$作为入射光线，把长方形玻璃砖
放在白纸上，使它的长边跟$aa'$对齐，画出玻璃砖的另外一边
$bb'$．在直线$AO$上竖直插上两枚大头针$P_1$、$P_2$，透过玻璃砖观
察大头针$P_1$、$P_2$的像，移动视线的方向，直到$P_1$的像被$P_2$的
像挡住．再在观察的这一侧插两枚大头针$P_3$、$P_4$，使$P_3$挡住
$P_1$、$P_2$的像，$P_4$挡住$P_3$和$P_1$、$P_2$的像．


记下$P_3$、$P_4$的位置．移去玻璃砖和大头针，过$P_3$、$P_4$引直
线$EB$，与$bb'$交于$E$，$EB$就表示沿$AO$方向入射的光线通过
玻璃砖后传播的方向．连接$OE$，$OE$就是玻璃砖内折射光线
的方向，入射角$i=\angle AON$，折射角$r=\angle EON'$．

用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它
们的正弦值，把这些数据记在自己设计的表格里．

用上面的方法分别求出入射角是30$^\circ$、45$^\circ$、60$^\circ$时的折射
角，查出它们的正弦值，把得到的数据记在表格里．

算出不同入射角时
$\sin i/\sin r$
的比值，比较一下，看它们是否接
近于一个常数．求出几次测得的
$\sin i/\sin r$
的平均值，作为测得的
玻璃的折射率$n$．

\section{测定凸透镜的焦距}
测定凸透镜的焦距有各种不同的方法，在这个实验里我
们用三种比较简单的方法来测定．

\subsection{平行光聚焦法}

平行于凸透镜主轴的光线，经凸透
镜折射后将会聚于焦点，利用凸透镜的这一特性，可以测出它
的焦距．方法是把凸透镜对着远处的光源（例如太阳），在透
镜的另一侧放一个光屏（或一张白纸），调节透镜和白纸间的
距离，直到屏上出现的光斑最亮最小为止，这个光斑就是透
镜的焦点，用直尺量出这时透镜到光斑间的距离，就得到凸
透镜的焦距．

\subsection{利用透镜成像公式}

把点燃的蜡烛、凸透镜、光屏照
图5.38那样放在光具座上，调整它们的高度，使烛焰和光屏的
中心位于凸透镜的主轴上（共轴）．调节蜡烛和光屏到透镜的
距离，使光屏上呈现出烛焰的清晰的像，量出这时的物距和像
距，填入自己设计的表格中．

改变蜡烛到凸透镜的距离，按照上段的要求再做两次，把
测得的数据也填入表格中．

根据测得的三组数据，利用凸透镜的成像公式
\[\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f} \]
算出三次得到的$f$值，求出它们的平均值，作为测得的凸透
镜的焦距．

\subsection{利用公式$f=\dfrac{L^2-d^2}{4L}$}

从例题知道，如果保
持物体和光屏之间的距离$L$不变，在物体和光屏之间移动凸透
镜，使物体在光屏上先后两次成像，测出凸透镜的两个位置间
的距离$d$，那么凸透镜的焦距
\[f=\dfrac{L^2-d^2}{4L} \]
需要注意的是，用这
种方法测焦距时，一定要使$L>4f$，才能在光屏上得到物体的
像．（有兴趣的同学可以自己考虑并证明一下这个问题．提示：
利用关系$L=u+v$，
从
$\dfrac{1}{u}+\dfrac{1}{v}=\dfrac{1}{f} $
中解出$v$，可得只有在
$L\ge 4f$时，$v$才有实数解）

实验时，可先用平行光聚焦法粗测出凸透镜的焦距$f$，然
后再利用三中的装置来做，使蜡烛到光屏的距离$L>4f$，把
凸透镜从蜡烛附近逐渐向光屏移动，同时注意观察光屏上烛
焰的像．当第一次出现清晰的像时，在光具座上记下凸透镜的
位置1．继续向光屏移动凸透镜，当光屏上第二次出现烛焰
的清晰的像时，在光具座上记下凸透镜的位置2．量出1、2
两个位置间的距离$d$，把测得的数据记录在自己设的表格
中．

改变$L$，再重做两次，记录下测得的数据．用公式$f=\dfrac{L^2-d^2}{4L}$
求出凸透镜的焦距．算出三次求得的$f$的平均值，作
为凸透镜的焦距．

\section{组成显微镜模型}
在这个实验里，我们用两个焦距为$f_1$和$f_2$的凸透镜在光
具座上组成显微镜模型．

实验装置如图10.8所示．把一块玻璃竖立在光具座的
一端，玻璃上粘一个小物体（例如一个小昆虫等）．用焦距$f_1$
较短的凸透镜$L_1$做物镜，焦距$f_2$较长的凸透镜$L_2$做目镜，把
它们安装在光具座上，在$L_1$和$L_2$之间放一个光屏，调整$L_1$、
$L_2$的高度，使它们共轴．同时调整玻璃和光屏的高度，使玻璃
上的小物体和光屏的中心在$L_1$和$L_2$的主轴上．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-8.png}
    \caption{}
    \end{figure}

用手电筒（或其他光源）照亮玻璃上的小物体，移动物镜
$L_1$，使它到物体的距离$2f_1>u_1>f_1$，同时移动光屏，直到在光
屏上出现小物体清晰的倒立放大的实像．移动目镜$L_2$，同时
通过$L_2$观察光屏上的像，待看到清晰的放大虚像时，移去光
屏，再通过$L_2$观察，这时看到的放大虚像跟有光屏时是一样
的．这表明这个虚像确实是以$L_1$所成的实像为物而产生的．

\section{利用双缝干涉测定光波的波长}

这个实验是利用双缝干涉条纹来测定单色光的波长．实
验装置如图10.9所示，光源发出的光经滤光片成为单色光．
单色光通过单缝后，经双缝产生干涉．干涉条纹可从屏上观
察到．
\begin{figure}[htp]\centering
    \includegraphics[scale=.6]{fig/10-9.png}
    \caption{}
    \end{figure}

双缝间的距离$d$是已知的，双缝到屏的距离$\ell$和相邻两
条干涉条纹间的距离$\Delta x$能够测量，因此可以利用下面的公
式求出波长
\[\lambda=\frac{d\Delta x}{\ell} \]

现在来做实验．把直径约10厘米、长约1米的遮光筒水
平放在光具座上，筒的一端装有双缝，另一端装有毛玻璃屏．
先取下双缝，打开光源，调节它的高度，使它发出的一束光能
够沿着遮光筒的轴线把屏照亮．然后放好单缝和双缝，单缝
和双缝间的距离为5—10厘米，使缝互相平行，中心大致位于
遮光筒的轴线上．这时，在屏上就会看到双缝的干涉条纹，你
看到的干涉条纹是不是彩色的？

放上滤光片，注意观察亮条纹间的距离是否相等，测出$n$
条干涉条纹间的距离$a$，那么相邻两条干涉条纹间的距离
\[\Delta x=\frac{a}{n-1} \]
再用米尺测出双缝到屏的距离$\ell$．换用另外颜
色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变化．

根据已知的双缝间的距离$d$和实验所得的数据，代入公
式求出单色光的波长．

你求出的单色光的波长是多少？利用书中所附的连续光
谱图查出这种波长的光的颜色，跟滤光片的颜色相比较，看着
它们是否一致？

\section{观察光的衍射现象}

\subsection{观察单缝衍射}

用一个具有直长灯丝的白炽灯泡作
线状光源（用距离较远的日光灯管也可以）．调节游标卡尺
两脚间的距离，形成一个0.5毫米宽的狭缝．在距灯丝几米远
处，使卡尺的狭缝与直灯丝平行，眼睛紧靠狭缝，通过狭缝观
察线光源，这时可以看到光通过狭缝后产生的衍射现象：光
束变宽，并有许多条彩色条纹．

调节狭缝的宽度，使它变宽，观察衍射条纹有什么变化；
使狭缝变窄，再观察衍射条纹有什么变化．

\subsection{观察小孔衍射}

用手电筒的小灯泡作点光源，在铝
箔（或胶片）上打出尺寸不同的小孔．在距点光源1—2米处，
使眼睛紧靠小孔，观察光通过小孔的衍射现象，可以看到彩色
的圆环，孔越小，圆环面积越大，

